Dobberen op magma

Drijvende continenten zijn een relatief recent verschijnsel, aldus een Amerikaanse geoloog. Onze voorstelling van de jonge aarde moet ingrijpend veranderen.

EEN PAAR vierkante kilometer oceaanbodem verdwijnt elk jaar van het aardoppervlak. Het zakt weg in kilometers diepe oceaantroggen voor de kust van Japan, Zuid-Amerika, langs de Marianeneilanden (de Marianentrog) en bij Indonesië. De vernietigende zeebevingen langs de Sundatrog bij Sumatra, afgelopen mei en december, hebben nog maar eens aangetoond dat dit onderduiken (subductie) schoksgewijs verloopt.

Er zijn meer redenen waarom de grote oceanische verdwijntruc middenin de belangstelling staat. De Amerikaanse geofysicus Robert Stern betoogt in het juninummer van Geology dat subductie veel jonger is dan decennialang is aangenomen. Dat idee komt als een schok voor veel geologen: een proces dat vandaag de dag bepaalt hoe ons aardoppervlak er uitziet bestond vroeger misschien helemaal niet. In dat geval zal het beeld dat wij hebben van onze vroege aarde ingrijpend moeten veranderen.

Hoe oceaanbodem ontstaat en verdwijnt begrijpen geologen sinds de jaren zeventig. Nieuwe oceanische korst spreidt zich uit aan weerszijden van midoceanische ruggen en verdwijnt maximaal 160 miljoen jaar later weer in de troggen langs de rand van de oceanen. De landmassa's die onze continenten vormen verschuiven naarmate de oceaanbodem ertussenin krimpt of zich uitbreidt. De Duitse meteoroloog Alfred Wegener formuleerde dit inzicht (de continental-drift hypothesis) al in 1926, maar het duurde decennia voordat andere geologen inzagen dat hij gelijk had.

pangea en rodinia

Wegener zag dat de huidige continenten puzzelstukjes zijn van één gemeenschappelijk oercontinent: Pangea, dat circa 280 miljoen geleden ontstond. In de jaren zeventig bouwde de Canadese geofysicus J. Tuzo Wilson hierop voort met de zogenoemde Wilson-cyclus. Volgens deze hypothese dobberen landmassa's al miljarden jaren over het aardoppervlak. Soms liggen ze ver van elkaar verspreid, en soms zitten ze aan elkaar vast in de vorm van zogeheten oercontinenten als Pangea en zijn voorganger Rodinia (een miljard jaar oud). Wilsons hypothese is ondersteund door geologen die aanwijzingen hebben gevonden dat oercontinenten nog veel ouder zijn. Zo bedacht de Amerikaan John Rogers de naam Columbia voor een oercontinent van 1,8 miljard jaar oud (Gondwana Research, juli 2003).

Veel geologen geloven dat de eerste landmassa's zich vormden toen, kort na het ontstaan van de aarde, de vloeibare magma-oceanen begonnen te stollen. Maar wanneer begonnen de continenten te drijven op de stroperige aardmantel? Robert J. Stern maakt in Geology aannemelijk dat het bijzondere proces van plaattektoniek pas een miljard jaar oud is. Daarmee verwijst hij de oudere oercontinenten, de vermeende voorgangers van Pangea en Rodinia, naar de prullenbak. Als bewijsmateriaal noemt Stern een reeks recente publicaties waarin de wisselwerking tussen aardkern, aardmantel en korst in computermodellen is gemodelleerd (zie kader rechts). Volgens Stern laten deze modellen zien dat plaattektoniek op de jonge, hete aarde onmogelijk was. Stern laat bovendien een reeks gesteenten de revue passeren, gesteenten waarvan bekend is dat ze ontstaan langs oceanische ruggen of in subductiezones. Volgens Stern is geen van deze stenen meer dan een miljard jaar oud.

`Mijn hypothese zal beslist voor controverse zorgen', voorspelt hij zelf in Geology. Een kleine rondgang leert dat hij in elk geval ook enthousiasme losmaakt. Peter Thienen (Institut de Physique du Globe in Parijs), specialist op het gebied van fysische processen in de vroege aarde, spreekt van ``een interessant verhaal''. Collega Rob van der Hilst van het Massachusetts Institute of Technology gebruikt vergelijkbare woorden. Herman van Roermund (Universiteit Utrecht), specialist op het gebied van gesteenten die Stern in zijn bewijsvoering gebruikt, noemt zijn gedachtegang ,,stimulerend''.

gabbro's

Mede dankzij diepzeeboringen vanaf speciaal uitgeruste schepen weten geologen vrij goed waaruit de zeven tot tien kilometer dikke oceaanbodem (oceanische korst) is opgebouwd. Die korst ontstaat uit magma die langs oceanische ruggen vanuit de aardmantel omhoog komt. Onderin bestaat de korst uit zogeheten gabbro's: gesteenten die vrij snel stollen door een relatief hoog gehalte aan ijzer en magnesium. Verder naar boven liggen magma- of lavadijken: vertikale platen van gestold magma. Nog hogerop volgen de kussenbasalten: zwarte bolvormige stenen die zich vormen bij een vulkanische eruptie onder water. Daar weer bovenop ligt een laag sediment (klei en bezonken plankton) van minder dan een kilometer dik. Geologen noemen de opeenvolging van lagen waaruit de oceaanbodem is opgebouwd ofioliet. ``Ofioliet is niet meer en niet minder dan een stuk fossiele oceaanbodem'', zegt Van Roermund. De sequentie wordt overal in de wereld in de bergen teruggevonden: oeroude stukken oceaanbodem die tijdens de botsing van continenten zijn opgestuwd en aan het oppervlak terecht zijn gekomen.

In het betoog van Stern is ofioliet bewijsstuk nummer één. Fossiele oceaanbodem die meer dan een miljard jaar oud is, bestaat volgens hem niet of nauwelijks. Ofioliet met een ouderdom van zo'n twee miljard jaar is gevonden in China, Finland en Canada, maar zo stelt Stern, op elk van deze vindingen valt wel wat af te dingen. De identificatie van het Chinese gesteente als ofioliet is door andere geologen in twijfel getrokken. Het Finse en Canadese ofioliet zijn veel dikker dan moderne stukken oceaanbodem. En waarom is uit het tijdvak van een miljard jaar dat volgde in het geheel geen oceaanbodem teruggevonden? Van Hilst deelt de redenering van Stern op dit punt, maar waarschuwt voor een bekende geofysische valkuil: ``Wie zegt ons dat al het bewijsmateriaal van wat zich op het aardoppervlak heeft afgespeeld nog steeds gevonden wordt? Misschien hebben alleen de uitzonderlijke processen sporen achtergelaten.''

Stern sleept voor zijn bewijsvoering meer gesteenten aan. Oceaanbodem die langs subductiezones in de diepte verdwijnt warmt op en vervormt onder hoge druk – geologen spreken van metamorfose. Diep in de aarde gaat hoge druk vaak gepaard met hoge temperatuur, maar niet altijd. Blauwschist is een buitenbeetje onder de gesteenten dat zich vormt bij hoge druk, maar lage temperatuur.

Geologen hebben zich lang het hoofd gebroken over de vraag waar op aarde zich dergelijke condities zouden kunnen voordoen. De oplossing van het raadsel: in een subductiezone, de plaatsen op aarde waar zware oceanische korst wegduikt onder lichtere continentale korst. Oceaanbodem die wegduikt in een trog komt snel onder hoge druk, zo snel dat zij relatief koel kan blijven. In zo'n subductiezone schraapt de bovenliggende continentale korst over de bovenste laag van de wegduikende oceaanbodem – zoals een schuiver sneeuw schraapt van de grond. De bovenste laag van de oceaanbodem vormt een onderaardse wig die wordt vastgeplakt aan de rand van het continent (zie afbeelding). ``Onder die omstandigheden ontstaat blauwschist'', zegt Van Roermund. Volgens Stern is het oudste blauwschist niet meer dan 800 à 900 miljoen jaar geleden gevormd.

diamant

Als derde bewijsstuk voor tektonische processen uit het verleden presenteert Stern terreinen van gesteenten die onder extreem hoge druk gevormd zijn (`Ultra High Pressure-terranes'). Deze assemblage van gesteenten vormt zich pas nadat de oceaanbodem tussen twee continenten geheel verdwenen is, zodat de continenten tegen elkaar botsen en over elkaar heen gaan schuiven. Onder dergelijke omstandigheden kan zich coesiet vormen (een hogedruk-variant van kwarts) en diamant. Deze mineralen ontstaan wanneer zand dat op de koude zeebodem heeft gelegen verdwijnt tot op 100 à 125 kilometer onder de aardkorst. Het oudste gesteente van dit type – gevonden in Mali – is niet meer dan 620 miljoen jaar oud.

Zie daar, betoogt Stern, geen enkele van de gesteenten die van subductie-tektoniek getuigen is meer dan een miljard jaar oud. Ook de relatieve ouderdom van de gesteenten kan hij goed verklaren: ofiolieten, de oude stukken oceaanbodem, stammen van 1.030 miljoen jaar geleden, de tijd dat de eerste spreidingsruggen ontstaan tussen de uiteenvallende brokstukken van het oercontinent Rodinia. Het oudste blauwschist vormt zich enkele honderden miljoenen jaren later, als continenten en de zich uitspreidende oceaanbodem elkaar elders op de planeet weer ontmoeten. Terreinen met coesiet en diamant ontstonden ten slotte toen de eerste continenten circa 600 miljoen jaar geleden weer op elkaar botsten.

Geen midoceanische ruggen dus, geen schuivende platen, maar wat dan wel? In zijn dissertatie presenteerde Peter van Thienen anderhalf jaar geleden een alternatief. Hij stelde een computermodel op voor een aardoppervlak dat bedekt was met vulkanen. Die vulkanen zouden op de jonge, warme aarde een 80 tot 100 kilometer dikke korst hebben gevormd (tien keer dikker dan bestaande oceaankorst) doordat voortdurend heet vloeibaar gesteente op het oppervlak werd gedeponeerd. Het vulkanische gesteente (balsalt) in het onderste deel van de korst zou onder hoge druk betrekkelijk snel kunnen overgaan naar een andere structuur (eclogiet) met een hogere dichtheid. Zo'n brok zwaar gesteente zou de aardkorst vervolgens als een molensteen mee de diepte in kunnen trekken, waarna de mantel zich daarboven weer zou kunnen sluiten.

Volgens Van Thienen valt met dit spectaculaire scenario ook het ontstaan te verklaren van verschillende gesteenten die gevonden worden op cratons (zie kader links).

Ook Stern gelooft dat zich op de oude, veel warmere aarde vulkanen hebben gevormd; bovenop pluimen van opwellend warm gesteente in de aardmantel. Hij speculeert dat processen die zich nu afspelen op Venus een indicatie kunnen zijn voor wat er gebeurde op de vroege aarde.

Die gedachte sluit goed aan op het computermodel van Van Thienen. Hij voert aan dat het beperkte aantal kraters aan het oppervlak van Venus erop wijst dat de korst van deze planeet minder dan 300 à 400 miljoen jaar geleden geheel is vernieuwd. Misschien is de korst van zowel de aarde als Venus miljarden jaren geleden steeds vernieuwd doordat zware blokken eclogiet als stenen in een vijver naar de diepte zonken. ``Het is een speculatie'', zegt Van Thienen. ``Maar wel een speculatie die aansluit op de bestaande geologische modellen.''